海绵城市理念在城市道路设计中的应用及工程实例

程章铭

（福建省林业勘察设计院，福建 福州 350001）

0 引言

近年来，随着城市化进程的推进以及城市规模的扩张，增加的硬化路面导致地面渗透性降低，地面排水不及时将加剧城市内涝灾害。据统计，我国缺水型城市占比达到66%，严重缺水的城市占比达到了25%，人均水资源仅为世界人均水平的25%。在多年来我国的城市建设中，对水资源再生和利用的重视程度较低，导致雨水资源的利用率低下，不足10%。因此，在我国城市化进程快速发展和水资源紧张的背景下，在城市市政道路建设中引入海绵城市理念，探讨如何将海绵城市在有限的城市建设条件下发挥应有的效能，对改善城市内涝、实现水资源合理循环再利用很有必要。

1 海绵城市的设计理念

海绵城市的核心技术体现在“渗、滞、蓄、净、用、排”。为了让城市可以像海绵一样，主动储蓄、利用地面水资源，需要改变以往地表雨水的渗流方式。与老旧道路的绿化带相比，海绵城市下的绿地内增设了雨水调节、生物净化设施，有利于城市的水资源合理循环再利用和可持续发展，提升城市在遇到内涝或干旱危机时的适应韧性。而溢流的超标雨水可以通过市政雨水管网及时排往湖、河[1]。

2 海绵城市理念及发展历程

美国曾在20世纪90年代对海绵城市在城市道路建设的设计、施工、管理阶段提出相应方案，以降低对环境的影响，尤其是将对水资源和城市布局的影响降至最低，即“低影响开发”。随着海绵城市理念的不断发展完善，目前美国海绵城市建设将可持续发展的优先级不断提高，在可持续发展基础上，同时兼并生态城市的建设，减少和控制城市扩张和改建对地区的水文环境产生影响。

在2022年全国第二批系统化全域推进海绵城市建设示范城市中，漳州市成为福建省唯一获评城市，在健全组织结构、配套政策制度、管控建设流程、调动全民参与等方面成为其他城市的榜样。

3 在城市道路建设和设计中推广海绵城市理念的意义

在城市化建设的过程中，随着城市交通量的快速增长，规划交通路网面临更大的压力，既有道路需要大面积进行提升扩建。由地周边地块高程限制，老旧的管网使既有道路标高与雨水径流的排放速度产生矛盾，导致城市内涝现象频现[2]。雨水资源循环利用率用过低，在我国水资源严重匮乏的情况下，造成资源浪费的同时加剧了生态破坏。

4 海绵城市技术在城市道路中的运用实例

以海绵城市理念为依托的城市道路建设，将道路打造成整块“海绵”，使道路在下雨时具备较强的吸水性、蓄水性、渗水性和净水性，储存的地面水在需要时可以循环再利用，溢流的地下水可以通过市政雨水管网排放至湿地、河流，增加道路的水弹性。城市道路中的海绵系统如图1所示。

图1 城市道路中的海绵系统

4.1 路面材料选用

海绵城市理念下的道路建设，各路面材料与传统普通沥青混凝土、混凝土路面结构不同。以福清市、宁德市的城市道路路面材料为例，常使用透水沥青路面、透水混凝土路面、透水砖路面这3 种透水路面。透水沥青路面用于等级道路[3]，透水混凝土路面则适合慢车、轻载交通通行，透水砖路面适用于人行道、公园等。

各等级道路宜采用透水沥青混凝土路面，在满足道路功能正常运行的情况下，还能保证道路的良好透水性和排水通畅性。例如，采用4～5 cm 厚的细粒式改性透水沥青混凝土（PAC-13）、5～7 cm 厚的中粒式沥青混凝土（AC-20）作为道路面层，在透水层下设封层，沥青推荐采用高黏橡胶改性沥青。根据交通量将下面层（AC-20）中粒式沥青混凝土作为设计层进行验算，下设基层、垫层等路面结构。2019年，福清市观溪新区某规划支路被列入海绵城市道路试点名单，本文以此为实例进行路面结构形式的探讨及验算。为保证项目路面稳定性，该项目采用Ⅰ型透水沥青混凝土路面，即机动车道仅面层透水。根据交通量分析计算累计交通量为4×106次，属中等交通荷载等级。材料参数根据沥青黏度、孔隙率及无机结合料稳定类材料的性质进行取值，透水沥青混合料孔隙率不小于18%，连通孔隙率不小于12%，面层模量在规范范围内取低值后代入计算，初拟定透水沥青混凝土路面结构如表1所示。

表1 透水沥青混凝土路面结构

以设计层厚度H（2）=50 mm 条件下进行试算：5%水泥稳定碎石底层拉应力σ=0.104 MPa，疲劳效应导致开裂的轴次上限为5.5×1012，使用年限内，验算疲劳开裂时的当量设计轴载累计作用6.52×108轴次，满足设计要求。

以设计层厚度H（2）=60 mm 条件下进行试算：3%水泥稳定碎石底层拉应力σ=0.382 MPa，疲劳效应导致开裂的轴次上限为6.69×108，使用年限内，验算疲劳开裂时的当量设计轴载累计作用6.52×108轴次，满足设计要求。

计算可得沥青混凝土面层永久变形量为3.49 mm，根据规范可知该道路等级下相应的永久变形容许值为20 mm，拟定的透水沥青混凝土路面结构层设计符合要求，H（2）取60 mm。

根据验算结果结合目前国内外高黏沥青PAC-13 透水沥青混合料性能研究成果，本次设计拟定的透水沥青混凝土路面结构具备了相应的抗变形能力，能够满足中等交通道路运载需求及规范要求，工程造价同比普通改性沥青混凝土路面高出20～30元/m2，属本项目可控范畴。在透水沥青混凝土路面结构设计中，对透水层的排水设施应予以高度重视，路面边缘采用带孔透水混凝土预制块形成纵向排水通道，在纵坡较小处设横向排水通道与市政雨水系统连接。

新建城镇轻荷载道路、广场和停车场等，可采用透水水泥混凝土路面，造价经济。常见的结构面层可采用8 cm 透水水泥混凝土。基层、垫层可采用10～15 cm 多孔隙水泥混合料、级配碎石等。该种路面形式已在福清市、宁德市多个公园、停车场及其周边道路应用并取得良好效果[4]。

人行步道、步行街等路面结构可以选用环保型透水砖面层和透水性好的基层和垫层，埋置式路缘石可采用透水混凝土预制块。透水砖路面在满足规范要求下应结合当地具体的水文条件及建设习惯进行选择，例如，福清市近年采用40 cm×20 cm×8 cm、60 cm×30 cm×8 cm 的灰色透水砖，宁德市则采用20 cm×10 cm×6 cm 的红色透水砖等。找平层可采用2～3 cm 干硬性水泥砂浆。基层可采用15 cm 透水混凝土，垫层可采用15 cm 级配碎石等。压实后的土基，其渗透系数大于1.0×10-3mm/s。人行道内树池可采用专用含碎石配方土，下设卵石排水层，孔隙率宜为35%～40%，排水层中敷设De110 渗排管，渗排管应用防渗土工布包裹，并设置导流管将多余雨水导排入就近雨水口中，原则上30～40 m 布设一道，保证城市道路人行道能够及时排水。

4.2 下凹式绿化带

在道路横断面设计中，道路中央绿化带、路侧绿化带和绿化退线内可设置下沉式绿地，减小地表径流量，同时改善收集的径流雨水水质。其雨水的收集流程为：路面雨水→绿化带→砾石槽→砾石挡水槽→草沟、洼地→溢流雨水口→市政雨水系统。本文以工程实例计算下沉式绿地下凹深度的取值。路面径流雨水通过锯齿型路缘石进入，绿带内溢流雨水口应高于绿化覆土线并与市政排水系统合理衔接。下凹式绿化带可有效缓解城市内涝现象，同时储蓄的雨水可以为绿带提供足够的水分，达到水资源的净化再利用。

以宁德市某竣工次干路为例，路线长1920 m，道路红线宽24 m，因道路建设预算有限，红线内绿地空间不足，周边地块已出让导致用地红线受限。在设计阶段积极建议相关主管部门对周边地块进行协调，经多方协商，该工程在条件允许范围内通过敷设透水砖以及采用红线外下凹绿地蓄集雨水，以达到控制雨水调蓄及外排目的。所采用的下凹绿地深度为15 cm，溢流雨水口设置在道路红线外两边的绿化带内，高于覆土10 cm。为确定绿带的下凹深度，避免过度建设，在设计过程中进行如下验算。

经对照宁德市降雨量，本工程道路设计控制雨量为27.1 mm，满足75%年径流总量控制率的要求。

4.2.1 总调蓄容积计算

调蓄容积计算公式：

式中：V——设计调蓄容积，m3；H——设计降雨量，mm；ϕ——综合雨量径流系数，本项目ϕ 经加权平均计算后取0.65；F——红线范围内汇水面积hm2，本工程红线内面积为50 688 m2=5.1 hm2。调蓄容积为：V=10HϕF=10×27.1×0.65×5.1=898.4 m3。

4.2.2 下凹式绿地面积及深度

（1）下凹绿地面积S=7020 m2。

（2）设计下凹绿地深度：

式中：S——设计下凹绿地面积，m2；V——设计调蓄容积，m3；h——下凹绿地深度。计算可得h=898.4 m3/7020 m2=0.128 m。

取h=0.15 m，可满足控雨量要求，在下凹深度确定后方可对绿带进行下一步具体设计。退线植草沟由蓄水下凹层、植被层、种植土、内埋透水软管的级配碎石层及土工布构成，道路专业设计人员应结合市政雨水平面对植草沟进行平纵向设计，标高低点与溢流雨水口位置相对应。如果有设在道路内部的下沉式绿带，内外侧缘石可分别采用三高一低的布置形式，即三块平缘石后，布置一块锯齿形缘石，与市政雨水口位置相对应的位置应设溢流型锯齿缘石。绿地内设置生物滞留设施，当排水纵坡大于1%时，应设置阻水坎，以减缓流速并增加雨水渗透量。近路基位置进行防渗处理，防止道路出现水毁现象[5]。

5 结语

海绵城市理念的引入和推广程度，成为当今城市文明发展的重要标杆。一方面海绵城市通过各项措施有效控制径流总量，使市政道路由传统的快速排水方式向生态排水转变，有利于缓解城市内涝问题。另一方面海绵城市理念引入使得新型城市道路具有了优于传统路面选材的吸水性、蓄水性、渗水性和净水性。本文以工程项目为例列举了部分措施并计算如何在预算及用地条件有限的情况下，在设计工作中做到既能满足海绵城市的调控，又符合道路工程设计的规范与原则。在各方面均允许的条件下，道路专业设计人员应与给排水专业设计人员紧密配合，进行更深入的海绵城市研究设计，积极主动参与推广和建设，共同努力营造一个“金山银山与绿水青山并存”的美好社会。